東亞副熱帶西風(fēng)急流的時(shí)間演變特征及其與中國東部夏季降水的關(guān)系

張 馳, 范廣洲, 周定文, 華 維

(成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225)

1 引言

副熱帶西風(fēng)急流是大氣環(huán)流形勢(shì)的重要組成部分,它的北跳和南移過程是東亞大氣環(huán)流季節(jié)性突變的特征之一。東亞副熱帶西風(fēng)急流位置的北跳與東亞梅雨期的起始、南海夏季風(fēng)的爆發(fā)都有緊密聯(lián)系,它的二次北跳是大氣環(huán)流季節(jié)性轉(zhuǎn)換的重要標(biāo)志[1-2]。夏季東亞副熱帶西風(fēng)急流通過大氣環(huán)流中季風(fēng)、副熱帶高壓、熱低壓等系統(tǒng)的調(diào)整配合局地對(duì)流、水汽輸送的作用間接地對(duì)中國東部不同區(qū)域的降水產(chǎn)生影響[3-4]。

值得關(guān)注的是,長江中下游[5]、華北和華南地區(qū)的降水與西風(fēng)急流強(qiáng)度、位置的變化密切相關(guān),其中,楊蓮梅等[6]論證了西風(fēng)急流的Rossby擾動(dòng)動(dòng)能與急流強(qiáng)度之間的關(guān)系并指出,動(dòng)能加強(qiáng)時(shí)東部降水呈中間多、南北少型;杜銀等[7]通過分析西風(fēng)急流軸位置的年代際變化與中國東部降水的關(guān)系得到,急流呈緯向分布時(shí)華北為多雨,而急流中心位置偏南、偏西時(shí)江南多雨而華北少雨。在上述研究中,急流位置的變動(dòng)多采用急流軸或者區(qū)域平均風(fēng)速差[8]來表示,而其強(qiáng)度的變化則采用區(qū)域的擾動(dòng)動(dòng)能、最大風(fēng)速中心或者區(qū)域平均風(fēng)速來表示,這些方法單獨(dú)使用的效果都較好,但彼此之間的差異和各自的側(cè)重點(diǎn)卻少有研究。

以此為出發(fā)點(diǎn),比較了自定義的經(jīng)-緯向急流軸和區(qū)域平均風(fēng)速差在表征西風(fēng)急流位置變化上的差異,并用區(qū)域平均的方法著重分析了西風(fēng)急流強(qiáng)度和位置的時(shí)間演變特征,探討了急流在極端位置和強(qiáng)度年份對(duì)應(yīng)中國東部地區(qū)降水型的分布特點(diǎn),由于西風(fēng)急流周期性變化的存在,這也將有助于更好地了解中國東部地區(qū)大范圍降水或局地降水發(fā)生的周期規(guī)律。

2 資料和方法

2.1 資料

采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP/NCAR)再分析資料,時(shí)間為1961年1月～2007年月12月,主要分析時(shí)段為夏季6～8月,數(shù)據(jù)類型包括月平均的緯向風(fēng)場(chǎng)、經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)及比濕,水平分辨率都為2.5°×2.5°,其中風(fēng)場(chǎng)都為12層,高度場(chǎng)和比濕分別為17層和8層;降水資料為中國氣象局國家氣象中心資料室提供的1961～2007年596個(gè)臺(tái)站的逐日資料。

2.2 方法

首先給出1961～2007年夏季(JJA)200hPa緯向風(fēng)的平均態(tài)(如圖1所示),35°N～45°N間存在一個(gè)狹長的西風(fēng)風(fēng)速帶(緯向風(fēng)速大于20m/s),包括兩個(gè)緯向風(fēng)速大于25m/s的區(qū)域,東支位于日本列島至西太平洋,相對(duì)較弱,西支由于青藏高原北側(cè)(60°E～80°E)的阻擋明顯減弱。根據(jù)高空急流風(fēng)速的規(guī)定,風(fēng)速大于或等于30m/s[9]的兩個(gè)急流區(qū)分別位于伊朗高原和中國西北地區(qū),中國西北急流區(qū)范圍相對(duì)伊朗高原更大一些,總體上看緯向風(fēng)速帶西支無疑是影響中國大氣環(huán)流的主要因素,其所在范圍自然是急流分析的關(guān)鍵區(qū)域。

圖1A區(qū)不但囊括了緯向風(fēng)西支中風(fēng)速大于25m/s的大部分區(qū)域,也包含了兩個(gè)顯著的急流區(qū),傳統(tǒng)東西向的急流軸是區(qū)域中各經(jīng)度上最大風(fēng)速值連成的曲線,只能比較急流的南北位置變化且分析起來較復(fù)雜。為此進(jìn)行簡(jiǎn)化將A區(qū)中緯向風(fēng)風(fēng)速和值最大的緯度(經(jīng)度)定義為緯向(經(jīng)向)急流軸的位置,由于所選A區(qū)范圍較小,緯(經(jīng))向急流軸的位置可以大致對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)東西(南北)向急流軸所在的緯(經(jīng))度,這樣隨著緯(經(jīng))向急流軸位置的變化,急流區(qū)位置的南北(東西)變化就能簡(jiǎn)單表現(xiàn)出來,但這種方法易受到數(shù)據(jù)分辨率的限制。與此同時(shí),為更好地使用區(qū)域平均方法表征西支中急流區(qū)的強(qiáng)度、位置變化,所選范圍必須對(duì)中國西北和伊朗高原強(qiáng)兩個(gè)急流區(qū)位置的變化足夠敏感,參考Lau等[8]對(duì)東亞夏季風(fēng)指數(shù)的定義方法和楊蓮梅等[6]對(duì)西風(fēng)急流位置及強(qiáng)度的量化范圍,選取圖1B區(qū)作為西風(fēng)急流指數(shù)的定義區(qū)域,分別以40°N和75°E作為該區(qū)域內(nèi)南北、東西部分的分界線,75°E可很好地區(qū)分兩個(gè)急流區(qū),便于表征二者的強(qiáng)弱差異,40°N也能對(duì)兩個(gè)急流區(qū)南北移動(dòng)后B區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速的不均衡予以表現(xiàn)。據(jù)此 ,用40°N ～ 45°N,45°E ～ 105°E 與 35°N ～40°N,45°E～105°E 的區(qū)域平均緯向風(fēng)速差47年夏季(JJA)的標(biāo)準(zhǔn)化值來表征西風(fēng)急流的南北位置(West-Jet Meridional Position Index,WJMPI)變化,指數(shù)為正(負(fù))對(duì)應(yīng)急流區(qū)位置相對(duì)偏北(南);用 35°N ～ 45°N,75°E ～ 105°E 與 35°N ～ 45°N,45°E～ 75°E 的區(qū)域平均緯向風(fēng)速差的標(biāo)準(zhǔn)化值來表征西風(fēng)急流的東西位置(West-Jet Zonal Position Index,WJZPI)變化,指數(shù)為正(負(fù))對(duì)應(yīng)急流區(qū)位置相對(duì)偏東(西);用40°N ～ 45°N,45°E～ 105°E 與 35°N～ 40°N,45°E～ 105°E 的區(qū)域平均緯向風(fēng)速和的標(biāo)準(zhǔn)化值來表征西風(fēng)急流的強(qiáng)度(West-Jet Intensity Index,WJII)變化,指數(shù)為正(負(fù))對(duì)應(yīng)急流區(qū)的強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)(弱)。

圖1 1961～2007年200hPa的夏季(JJA)平均緯向風(fēng)(單位：m/s)

在對(duì)西風(fēng)急流位置、強(qiáng)度的周期特征分析中使用Morlet小波分析法[10],討論中國東部地區(qū)的降水分布時(shí)則使用合成分析。趨勢(shì)系數(shù)方程[11]為：

定義rxt表示西風(fēng)急流指數(shù)時(shí)間序列與自然數(shù)列1,2,3,…,n的相關(guān)系數(shù),n為年數(shù),xi表示第i年的西風(fēng)急流指數(shù)值,表示西風(fēng)急流指數(shù)的平均值,ˉ=(n+1)/2為正值表示指數(shù)在計(jì)算時(shí)間段內(nèi)有線性增加的趨勢(shì),負(fù)值反之。

3 結(jié)果和分析

3.1 西風(fēng)急流軸的時(shí)間演變特征

3.1.1 西風(fēng)急流軸位置的變化特征

根據(jù)圖1A區(qū)中急流軸的定義得到1961～2007年西風(fēng)急流緯向軸和經(jīng)向軸位置的年際變化特征(如圖2所示)。由于資料分辨率的限制,在A區(qū)內(nèi)經(jīng)向僅有6個(gè)格點(diǎn),使得緯向急流軸的位置只出現(xiàn)在40°N或42.5°N,1961～1978年軸線位置主要位于42.5°N,占前 18年的61.1%,而在1978～2007年軸線位置以40°N為主,占后29年的79.31%(圖2a);經(jīng)向急流軸總體位置偏東,占47年的70.21%,作軸線位置的3年滑動(dòng)平均可見,經(jīng)向軸位置呈振蕩西移、東移再西移的周期性變化規(guī)律,轉(zhuǎn)折分別出現(xiàn)在1973年、1987年及2003年 ,經(jīng)向軸位置變化隱約存在一個(gè)30年左右的周期但有待進(jìn)一步驗(yàn)證(圖2b)。

圖2 1961～2007年夏季200hPa緯向軸和經(jīng)向軸位置的年際變化特征(單位：度)(a)參考緯度：41.25°N;(b)實(shí)線表示經(jīng)向軸位置的3年滑動(dòng)平均,參考經(jīng)度：75°E

3.1.2 西風(fēng)急流軸的周期特征

圖3 1961～2007年西風(fēng)急流序列的小波方差和小波周期

為此,對(duì)急流軸位置的時(shí)間序列做小波分析(圖3)可得：緯向急流軸在1961～1995年存在5～10年主周期(圖3a),與對(duì)應(yīng)緯向軸位置偏北(位于42.5°N)時(shí)的年份間隔(圖2a)有相似之處;經(jīng)向急流軸位置在1961～2003年間以25～30年的周期最為明顯(圖3b),與(圖2b)軸線位置滑動(dòng)平均后推測(cè)的周期比較接近,這說明急流經(jīng)向軸確實(shí)存在一個(gè)30年左右的顯著周期,且其方差值較10～15年的周期也更大一些;另外,為了便于與后面定義的西風(fēng)急流強(qiáng)度指數(shù)的周期做比較,計(jì)算圖1A區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速中心的9點(diǎn)均值(如圖4b實(shí)線所示),再用其時(shí)間序列做小波分析得到(圖3c),急流最大風(fēng)速存在一個(gè)10～15年的主周期,且在1961～2007年都較顯著。

3.2 東亞西風(fēng)急流指數(shù)的定義

由此,完成了對(duì)西風(fēng)急流軸時(shí)間演變特征的簡(jiǎn)單分析,對(duì)急流經(jīng)向、緯向軸和最大風(fēng)速區(qū)的周期有了一定的了解,但它對(duì)西風(fēng)急流描述的準(zhǔn)確性還需進(jìn)一步論證。接下來利用區(qū)域平均(圖1B區(qū))的方法對(duì)西風(fēng)急流強(qiáng)度、位置的年際變化及周期做分析,定義的西風(fēng)急流指數(shù)主要由WJII、WJZPI、WJMPI這3部分組成,由于西風(fēng)急流指數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù),這也將有利于了解西風(fēng)急流年際變化的趨勢(shì)特征。

3.2.1 WJII的年際變化特征

圖4 1961～2007年西風(fēng)急流強(qiáng)度指數(shù)和急流9點(diǎn)最大風(fēng)速均值(單位：m/s)的年際變化特征及其趨勢(shì),實(shí)線表示年際變化序列,點(diǎn)線表示3年滑動(dòng)平均,長虛線表示趨勢(shì)線

從圖4可得,WJII和急流最大風(fēng)速年際變化序列的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.701(通過0.01的信度檢驗(yàn)),兩者對(duì)于西風(fēng)急流強(qiáng)度的描述幾乎一致,同時(shí)結(jié)合3年滑動(dòng)平均曲線來看,表征急流強(qiáng)度的極大值都約10年左右出現(xiàn)一次(圖4a),這與急流最大風(fēng)速存在的10～15年的主周期基本一致(圖3c),對(duì)應(yīng)滑動(dòng)平均后的風(fēng)速極大值都在32m/s以上(圖4b)。就急流強(qiáng)度的年際變化趨勢(shì)來看,WJII和急流最大風(fēng)速的表現(xiàn)都不太明顯,分段來看急流強(qiáng)度只是在1961～1971年間呈逐步加強(qiáng)的趨勢(shì),而在1971年后又緩慢減弱,這兩個(gè)時(shí)段的趨勢(shì)系數(shù)都較低,R的絕對(duì)值都不超過0.25?？傮w看來,在47年中,西風(fēng)急流強(qiáng)度的年際變化主要以周期性的振蕩為主,趨勢(shì)特征不夠突出。

3.2.2 WJZPI的年際變化特征

圖5 1961～2007年西風(fēng)急流緯向位置指數(shù)的年際變化特征及其趨勢(shì),西風(fēng)急流緯向剖面圖的年際變化特征,緯度平均范圍：35°N～45°N,(單位：m/s).實(shí)線表示年際變化序列,長虛線表示趨勢(shì)線

圖5(a)中WJZPI主要用于表征西風(fēng)急流的東西位置變化,在1984年左右急流位置極端偏東,是急流由振蕩東移向振蕩西移轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn),且對(duì)應(yīng)這兩個(gè)振蕩趨勢(shì)都很明顯,這與杜銀等(2009)研究提出1975～1980年是西風(fēng)急流位置的年代際轉(zhuǎn)折期比較接近。其中1961～1984年間氣候傾向率是0.435/10a,趨勢(shì)系數(shù)為0.307,急流位置東移顯著,而在1984～2007年間氣候傾向率是-0.739/10a,氣候趨勢(shì)系數(shù)為-0.478,急流西移顯著(圖5a)。與圖5(b)中西風(fēng)急流緯向剖面圖比較來看,急流區(qū)位置(等值線標(biāo)記區(qū)域)確實(shí)在1980～1990年間穩(wěn)定偏東,在1970年和2003年位置偏西,而在其他年份甚至沒有急流區(qū)存在,對(duì)此可以認(rèn)為急流東西位置的振蕩調(diào)整過程中其強(qiáng)度會(huì)有所減弱(將等值線風(fēng)速范圍劃為大于28m/s便能大致看出急流振蕩移動(dòng)的軌跡,圖略)。

3.2.3 WJMPI的年際變化特征

圖6 1961～2007年西風(fēng)急流經(jīng)向位置指數(shù)的年際變化特征及其趨勢(shì),西風(fēng)急流經(jīng)向剖面圖的年際變化特征,經(jīng)度平均范圍：45°E～105°E,單位m/s.實(shí)線表示年際變化序列,長虛線表示趨勢(shì)線

圖6(a)中WJMPI主要用于表征西風(fēng)急流的南北位置變化,圖6(b)為西風(fēng)急流的經(jīng)向剖面圖,綜合二者可以發(fā)現(xiàn),1961～1978年間西風(fēng)急流呈顯著的振蕩北移趨勢(shì),其氣候傾向率為0.952/10a,趨勢(shì)系數(shù)R達(dá)到0.509圖6(a),對(duì)應(yīng)圖6(b)中急流位置在1974年之前逐步北移且強(qiáng)度有所加強(qiáng),由此可見二十世紀(jì)70年代急流位置極端偏北,而隨后1980～2007年急流位置較之前年份整體偏南,年際變化趨勢(shì)不太顯著。

3.2.4 西風(fēng)急流指數(shù)的周期特征

下面對(duì)WJII、WJMPI、WJZPI的時(shí)間序列做小波分析(如圖7所示),這不僅可以探討之前WJII趨勢(shì)分析中10年左右周期的可靠性圖4(a),同時(shí)也是對(duì)最大風(fēng)速和急流軸位置周期的進(jìn)一步驗(yàn)證圖3(a)～(c)。

從圖7(a)可以看出WJII存在顯著10～15年的主周期,并與圖3(c)中急流最大風(fēng)速的周期完全一致,這說明西風(fēng)急流強(qiáng)度10～15年的周期是較準(zhǔn)確的;圖7(b)中WJMPI存在5～10年的主周期,這也與圖3(a)中急流緯向軸位置的變化周期一致,即西風(fēng)急流南北位置變化存在一個(gè)5～10年的顯著周期;圖7(c)中WJZPI的主周期為33～37年,與圖3(b)中急流經(jīng)向軸位置25～30年的周期存在差異,兩者相差約5～10年,這可能是由于定義西風(fēng)急流位置方法的不同所造成的,急流軸方法只考慮關(guān)注區(qū)域內(nèi)風(fēng)速最大的急流經(jīng)向軸,而區(qū)域平均的方法則是計(jì)算區(qū)域內(nèi)兩個(gè)對(duì)稱部分風(fēng)速平均的差值,所以當(dāng)分析區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)度很接近的風(fēng)速區(qū)(強(qiáng)度往往達(dá)不到30m/s)時(shí)圖5(b),兩種方法計(jì)算結(jié)果的差異會(huì)比較突出,由于對(duì)急流東西位置的確定是考慮中國西北和伊朗高原強(qiáng)兩個(gè)急流區(qū)中較強(qiáng)支的位置而不是兩個(gè)急流區(qū)整體位置的變化,所以在這種情況下區(qū)域平均方法定義的急流指數(shù)更適用一些。

綜合西風(fēng)急流軸和急流指數(shù)的年際變化趨勢(shì)和周期特征可得：在47年中,西風(fēng)急流東西位置的年際變化趨勢(shì)最為顯著,南北位置變化次之,其轉(zhuǎn)折年份分別出現(xiàn)在二十世紀(jì)80年代和70年代,而急流強(qiáng)度的年際變化趨勢(shì)不夠顯著,以周期性振蕩為主;對(duì)其進(jìn)行小波分析發(fā)現(xiàn),急流最大風(fēng)速區(qū)和WJII對(duì)西風(fēng)急流強(qiáng)度周期的表征、緯向急流軸和WJMPI對(duì)急流南北位置周期的表征都很一致,分別為10～15年和5～10年;經(jīng)向急流軸和WJZPI對(duì)急流東西位置周期的表征有所差異,二者周期相差約5～10年,可信度有待商榷,但出于對(duì)全文的急流位置變化完整性的考慮以及相對(duì)可靠的定義方法,認(rèn)為WJZPI的主周期為33～37年。

圖7 1961～2007年西風(fēng)急流序列的小波方差和小波周期

3.3 西風(fēng)急流與中國東部降水的關(guān)系

東亞西風(fēng)急流南北位置的季節(jié)性變化會(huì)對(duì)季風(fēng)、南亞高壓等大氣環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而引起華北地區(qū)和長江流域降水的改變[12-13]。那么,研究的西風(fēng)急流東西、南北位置和強(qiáng)度的年際變化也應(yīng)該與中國的區(qū)域性降水有一定聯(lián)系,由于夏季6～8月正好為中國東部地區(qū)的雨季,總降水量幾乎也占全年總降水的50%以上,因此選取(100°E～125°E,20°N ～45°N)作為東部降水分析的主要區(qū)域[14-15],著重探討西風(fēng)急流在極端位置、強(qiáng)度的年份對(duì)應(yīng)東部地區(qū)的降水特征及其差異。

為使WJII、WJMPI、WJZPI極端年份數(shù)據(jù)的分布較均衡,這里規(guī)定其臨界值各有不同,分別為±0.9、±0.7和±0.8,將西風(fēng)急流位置偏東、居中、偏西的年份分別對(duì)應(yīng)WJZPI極大值(WJZPI＞0.8)、常值(|WJZPI|＜=0.8)、極小值(WJZPI＜-0.8)出現(xiàn)的年份,急流位置偏北、居中、偏南的年份分別對(duì)應(yīng)WJMPI極大值(WJMPI＞0.7)、常值(|WJMPI|＜=0.7)、極小值(WJMPI＜-0.7)出現(xiàn)的年份,急流較強(qiáng)、正常、較弱的年份分別對(duì)應(yīng)WJII極大值(WJII＞0.9)、常值(|WJII|＜=0.9)、極小值(WJII＜-0.9)出現(xiàn)的年份,然后根據(jù) WJII、WJMPI、WMZPI對(duì)應(yīng)的周期范圍(圖7)從各自的極大值年、常值年和極小值年中選出帶有周期規(guī)律的一個(gè)或者多個(gè)年份序列(如表1所示)進(jìn)行中國東部降水的合成分析(如圖8～圖10所示),之所以要在急流指數(shù)的極值和常值年中用周期來進(jìn)一步篩選是因?yàn)橹苯雍铣珊蟮臇|部地區(qū)的降水分布特征很不顯著(圖略),這與非周期年出現(xiàn)的降水噪音不無關(guān)系。

表1 西風(fēng)急流指數(shù)具有周期規(guī)律的年份序列

3.3.1 WJII周期性極端年份中國東部降水的特征

圖8 西風(fēng)急流強(qiáng)度指數(shù)極大值年減去常值年、極小值年減去常值年、極大值年減去極小值年對(duì)應(yīng)的中國東部地區(qū)的降水分布(單位：mm/1 month),標(biāo)注的降雨量是夏季6～8月的月平均值,夏季6～8月總降水量等于月均值的3倍

WJII極大值年對(duì)應(yīng)西風(fēng)急流的強(qiáng)度較強(qiáng),在這些年份中東部降水分布如圖8(a)、(c)所示,東南沿海、西南地區(qū)的降水明顯減少,月均值最多減小150mm以上,相比之下,華北、西北東部地區(qū)的降水明顯增多,月均值最多增加150mm以上;而WJII極小值年對(duì)應(yīng)西風(fēng)急流的強(qiáng)度較弱,在這些年份中東部降水分布如圖8(b)、(c)所示,華北、華南西部地區(qū)降水明顯減少,月均值最多達(dá)到-200mm,東南沿海和江淮流域降水增多,月均值最多達(dá)到150mm。綜合比較可以發(fā)現(xiàn),在WJII極大(小)值年,即西風(fēng)急流在強(qiáng)(弱)年時(shí),華北地區(qū)降水增多(減少),而東南沿海地區(qū)降水減少(增多)。根據(jù)WJII的周期圖7(a),其極大、極小值年的間隔為5～8年,這表明華北地區(qū)和東南沿海降水的反相位分布以5～8年為間隔交替發(fā)生。

3.3.2 WJMPI周期性極端年份中國東部降水的特征

圖9 同圖8,但為西風(fēng)急流經(jīng)向位置指數(shù)對(duì)應(yīng)的降水

孫林海等[16]提出中國東部季風(fēng)區(qū)夏季雨型主要分為二類四型,一類是“南北多中間少”,下分1a型主雨區(qū)在黃河流域至華北一帶,1d型主雨區(qū)在華南一帶;二類是是“南北少中間多”,下分2b型主雨區(qū)在黃河與長江之間,2c型主雨區(qū)在長江流域一帶。

結(jié)合上述降水類型來分析西風(fēng)急流經(jīng)向位置變化對(duì)應(yīng)中國東部的降水特征可以得到：在WJMPI的極大值年,即急流位置偏北的年份,圖9(a)、(c)分別與上述1a和1d型一致,月均值降水增多的區(qū)域分別達(dá)到150mm和250mm以上,而在WJMPI的極小值年,即急流位置偏南的年份,圖9(b)、(c)也分別與上述2b和2c型很接近,月均值降水增多的區(qū)域也分別達(dá)到150mm和250mm以上。同時(shí),中國東部季風(fēng)區(qū)近百年夏季雨型[17]中符合1a或 1d的年份有1961年(1a)、1966年(1a)、1973年(1a)、1978年(1a)、1990年(1a)、1994年(1d),符合2b 或 2c型的年份有1962年(2b)、1969年(2c)、1974年(2b)、1982年(2b)、1987年(2c)、1998年(2c),分別與表 1中WJMPI選擇的極大值、極小值年基本一致。由此可得,當(dāng)西風(fēng)急流位置偏北(南)時(shí),中國東部地區(qū)呈“南北多中間少(南北少中間多)”的雨帶分布。根據(jù)WJMPI的周期圖7(b),其極大、極小值年的間隔為2.5～5年,這表明上述兩種分布雨型以2.5～5年為間隔交替發(fā)生。

3.3.3 WJZPI周期性極端年份中國東部降水的特征

圖10 同圖8,但為西風(fēng)急流緯向位置指數(shù)對(duì)應(yīng)的降水

WJZPI極大值年對(duì)應(yīng)西風(fēng)急流位置偏東,在這些年份中東部降水分布如圖10(a)、(c)所示,華南、黃淮流域的降水顯著減少,月均值最多可減小250mm以上,西北東部地區(qū)的降水相對(duì)增多,月均值最多增加200mm以上,西風(fēng)急流位置偏東意味著西北地區(qū)受西風(fēng)帶作用會(huì)更明顯,張雪梅等[18]發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)水汽輸送要受西風(fēng)和西南風(fēng)水汽輸送交替影響;而WJZPI極小值年對(duì)應(yīng)西風(fēng)急流位置偏西,在這些年份中東部降水分布如圖10(b)、(c)所示,華南西部和華北地區(qū)的降水明顯增多,月均值最多達(dá)到250mm,西北東部地區(qū)的降水減少,月均值最多達(dá)到-200mm。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),在WJZPI極大(小)值年,即西風(fēng)急流位置偏東(西)時(shí),西北東部地區(qū)降水增多(減少),而華南西部地區(qū)降水減少(增多)。根據(jù)WJZPI的周期圖7(c),其極大、極小值年的間隔為16～19年,這表明華南西部和西北東部地區(qū)降水的反相位分布以16～19年為間隔交替發(fā)生。

3.4 西風(fēng)急流經(jīng)向位置指數(shù)與東亞大氣環(huán)流的關(guān)系

西風(fēng)急流南北位置的變換與中國東部地區(qū)“三極”降水型有密切的聯(lián)系圖(9),以下從大氣環(huán)流場(chǎng)角度對(duì)其原因進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析,即結(jié)合表1中WJMPI的極大、極小值年進(jìn)行東亞地區(qū)大氣環(huán)流場(chǎng)的合成分析(如圖11～12所示)。

圖11 夏季西風(fēng)急流經(jīng)向位置指數(shù)極大值年與極小值年的200hPa散度場(chǎng)差(單位：10-6m/s)(a)、500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)差(單位：gpm)(b)和850hPa流場(chǎng)差(c),(b)中的箭頭表示500hPa水平風(fēng)場(chǎng)矢量,(單位：m/s)

圖12 夏季西風(fēng)急流經(jīng)向位置指數(shù)極大值年與極小值年850hPa水汽通量(a)和垂直環(huán)流(b)的差異,

相比西風(fēng)急流位置偏南的年份而言,在急流位置偏北時(shí)中國東部地區(qū)大氣環(huán)流的特征如下：從200hPa來看(圖11a),西北地區(qū)東部和華南地區(qū)的位勢(shì)高度場(chǎng)以輻散為主,對(duì)應(yīng)500hPa上的位勢(shì)高度有所減小(圖11b),這將有利于這些區(qū)域整層大氣的上升運(yùn)動(dòng),且與圖12b經(jīng)向剖面圖中35°N～40°N和22°N～26°N這兩個(gè)范圍內(nèi)合成風(fēng)矢量的方向一致,而從西南地區(qū)延伸到黃淮、江淮流域的200hPa位勢(shì)高度場(chǎng)以輻合為主,對(duì)應(yīng)500hPa的位勢(shì)高度有所增大,二者都呈明顯的東西向帶狀分布,這將有利于這些區(qū)域整層大氣的下沉運(yùn)動(dòng),且與圖12b中27°N ～34°N 之間合成風(fēng)矢量的方向一致;從850hPa的流場(chǎng)來看(圖11c),在中低層28°N 以南,105°E以東的地區(qū)受氣旋式流場(chǎng)控制,有助于低緯的西風(fēng)水汽向東南沿海和華南地區(qū)輸送,水汽輸送在該區(qū)域增多0.3～0.6kg/(m?s)(圖12a),而28°N以北,105°E以東的地區(qū)受反氣旋式流場(chǎng)控制,有助于中緯西太平洋的東風(fēng)水汽從長江中下游地區(qū)向華北地區(qū)輸送,水汽輸送在華北地區(qū)增多較顯著,都大于0.6kg/(m?s),最多可達(dá)1.5kg/(m?s)(圖12a);而在西風(fēng)急流位置偏南時(shí)的大氣環(huán)流特征,反之可得。

綜上所述：西風(fēng)急流位置偏北(南)時(shí),中國東部地區(qū)整層大氣環(huán)流呈現(xiàn)“南北上升中間下沉(南北下沉中間上升)”的形勢(shì),“三極”的分界線大致在34°N和27°N,850hPa的流場(chǎng)和水汽通量輸送都有利于華北(長江中下游及淮河流域)地區(qū),易于形成“南北多中間少(南北少中間多)”的雨帶分布。另外,圖12(b)中還可以發(fā)現(xiàn),在200hPa上存在一個(gè)西風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng)的區(qū)域和一個(gè)減弱的區(qū)域,位置分別位于42°N～46°N和32°N～36°N,核心極值風(fēng)速為+5m/s和-6m/s,可推測(cè)其分別為高空西風(fēng)急流區(qū)偏北、偏南位置的所在范圍。

4 結(jié)論

根據(jù)1961～2007年美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCAR/NCEP)再分析月資料和同期中國596站的降水資料,利用急流軸(包括最大風(fēng)速法)和區(qū)域平均兩種定義方法分析了夏季東亞副熱帶西風(fēng)急流的時(shí)間演變特征及其與中國東部夏季降水分布的關(guān)系,結(jié)論如下：

(1)從西風(fēng)急流的年際變化趨勢(shì)來看,急流軸結(jié)合最大風(fēng)速的方法與區(qū)域平均的方法得到的結(jié)果比較相似,即在47年中,西風(fēng)急流東西位置的年際變化趨勢(shì)最為顯著,南北位置變化次之,其轉(zhuǎn)折年份分別出現(xiàn)在二十世紀(jì)80年代和70年代,而急流強(qiáng)度的年際變化趨勢(shì)不夠顯著,以周期性振蕩為主;從西風(fēng)急流的周期特征來看,兩種方法對(duì)西風(fēng)急流強(qiáng)度、南北位置周期的表征很一致,分別為10～15年和5～10年,但對(duì)西風(fēng)急流東西位置周期的表征存在差異,二者相差約5～10年,這是由于定義西風(fēng)急流位置方法的不同所造成的,由于側(cè)重點(diǎn)是分析東亞西風(fēng)帶西支中東西兩個(gè)急流區(qū)的強(qiáng)度差異,在這種情況下區(qū)域平均方法定義的急流指數(shù)效果會(huì)更好一些,而如果將東亞西風(fēng)帶西支作為一個(gè)整體來考慮,急流軸方法則會(huì)更好些。

(2)西風(fēng)急流南北位置的周期性變化與夏季中國東部地區(qū)的大范圍降水聯(lián)系緊密,即當(dāng)西風(fēng)急流位置偏北(南)時(shí),東部地區(qū)呈“南北多中間少(南北少中間多)”的雨型,推測(cè)這兩種反相位雨型的間隔時(shí)間為2.5～5年,相比而言,急流強(qiáng)度和東西位置的周期性變化與東部地區(qū)局地降水存在一定聯(lián)系,即當(dāng)西風(fēng)急流強(qiáng)度較強(qiáng)(弱)時(shí),華北夏季降水增多(減少)、東南沿海減少(增多),推測(cè)其間隔時(shí)間為5～8年,而當(dāng)西風(fēng)急流位置偏東(西)時(shí),華南西部夏季降水減少(增多),西北東部地區(qū)增多(減少),推測(cè)其間隔時(shí)間為16～19年。

(3)從大氣環(huán)流角度來看,西風(fēng)急流位置偏北(南)時(shí),東部地區(qū)整層大氣環(huán)流呈現(xiàn)“南北上升中間下沉(南北下沉中間上升)”的形勢(shì),850hPa的流場(chǎng)和水汽通量輸送都有利于華北(長江中下游及淮河流域)地區(qū),易于形成“南北多中間少(南北少中間多)”的雨帶分布。

值得注意的是,合成的中國東部地區(qū)的降水分布只能對(duì)應(yīng)西風(fēng)急流周期性極值年的降水狀況,并不能對(duì)應(yīng)西風(fēng)急流所有極值年的降水。另外,西風(fēng)急流的強(qiáng)度和南北位置引起中國東部局地降水反位相分布的天氣學(xué)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

[1]陶詩言,趙煜佳,陳曉敏.東亞的梅雨期與亞洲上空大氣環(huán)流季節(jié)變化的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào),1958,29(2)：119-134.

[2]李崇銀,王作臺(tái),林士哲,等.東亞夏季風(fēng)活動(dòng)與東亞高空西風(fēng)急流位置北跳關(guān)系的研究[J].大氣科學(xué),2004,28(5)：641-658.

[3]宗海鋒,張慶云,陳烈庭.梅雨期中國東部降水的時(shí)空變化及其與大氣環(huán)流、海溫的關(guān)系[J].大氣科學(xué),2006,30(6).

[4]Takeaki Sampe,Shang-Ping Xie.Large-Scale Dynamics of the Meiyu-BaiuRainband：EnvironmentalForcing by the Westerly Jet[J].J.Climate,2010,23：113-134.

[5]況雪源,張耀存.東亞副熱帶西風(fēng)急流位置異常對(duì)長江中下游夏季降水的影響[J].高原氣象,2006,25(3)：382-389.

[6]楊蓮梅,張慶云.夏季東亞西風(fēng)急流Rossby波擾動(dòng)異常與中國降水[J].大氣科學(xué),2007,31(04)：586-595.

[7]杜銀,張耀存,謝志清.東亞副熱帶西風(fēng)急流位置變化及其對(duì)中國東部夏季降水異常分布的影響[J].大氣科學(xué),2009,33(3)：581-592.

[8]Lau K M,K M Kim,S Yang.Dynamical and boundary forcing characteristics of regional component s of t he Asian Summer Monsoon[J].J Climate,2000,13(14)：2461-2482.

[9]朱乾根.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社,2000：192-193.

[10]吳洪寶,吳蕾.氣候變率診斷和預(yù)測(cè)方法[M].北京：氣象出版社,2005：467.

[11]施能,陳家其,屠其璞.中國近100年來4個(gè)年代際的氣候變化特征[J].氣象學(xué)報(bào),1995,53(4)：431-439.

[12]Lin Z D,Lu R Y.Interannualmeridional displacement of t heEast Asian upper-t ropospheric jet st ream in summer[J].Adv.Atmos.Sci.,2005,22(2)：199-211.

[13]Lu R Y.Associations among t he components of t he East Asian summer monsoon systems in the meridional direction[J].J.Meteor Soc.Japan,2004,82(1)：155-165.

[14]梁萍,何金海,陳隆勛,等.華北夏季強(qiáng)降水的水汽來源[J].高原氣象,2007,26(3)：460-465.

[15]馬柱國,任小波.1951～2006年中國區(qū)域干旱化特征[J].氣候變化研究進(jìn)展,2007,3(4)：195-201.

[16]孫林海,趙振國,許力,等.中國東部季風(fēng)區(qū)夏季雨型的劃分及其環(huán)流成因分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)：增刊,2005,16：56-62.

[17]竺夏英,何金海,吳志偉.江淮梅雨期降水經(jīng)向非均勻分布及異常年特征分析[J].科學(xué)通報(bào),2007,52(8)：951-957.

[18]張雪梅,江志紅,蘭博文.西北地區(qū)水汽輸送特征及其年際、年代際變化[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(4)：27-31.